遼寧北部地區巖石-土壤-植物中硒元素地球化學研究

丁秋紅，唐 韜，王齡廣，陳樹旺，邢德和

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省第七地質大隊有限責任公司，遼寧 丹東 118000；3.遼寧省地質礦產調查院有限責任公司，遼寧 沈陽 110032

0 引言

硒（Se）元素對于植物以及人體的有效性已經得到廣泛的重視，在中國東北地區越來越多的富硒土壤被發現和利用［1-3］.在地學界，對硒元素的研究多集中在土壤硒的含量、分布、存在形式及其轉化，以及土壤質量評價方面［4-12］.遼寧北部鐵嶺地區地處松遼平原中段，是遼寧省主要的產糧區，素有“遼北糧倉”之稱.筆者在鐵嶺地區開展1∶25萬生態地質調查，將巖石－土壤－植物系統作為一個整體來研究硒元素的釋放與遷移、植物吸收與積累及其分布的動態特征與數量規律，分析了硒元素在巖石、土壤和植物中的含量、空間分布特征及其變化規律，以期為土壤硒的生態環境演化研究提供科學依據，為遼寧北部地區開發富硒農林產品起到有效的推動作用.

1 研究區概況

1.1 自然地理

研究區地處遼寧省北部，行政區主要包括鐵嶺市以及沈陽市的康平、法庫兩個縣.該區屬溫帶季風氣候，全年四季分明，雨量適中，在農業氣候綜合區劃中屬于遼北溫和半濕潤農業氣候區，適宜多種農作物生長.主要河流為遼河、秀水河.

研究區分為3個地貌單元：東部低山丘陵區屬長白山余脈，是主要的林業基地，該區地貌以丘陵為主，少量低山及河谷平原，海拔高度200～696 m；中部為山前傾斜平原，是東部低山丘陵向西部沖積平原過渡地帶，呈帶狀北東向分布；西部沖積平原為遼河及秀水河等沖積而成，發育有二級、一級階地，二級階地海拔高度100 m左右，一級階地沿河谷邊部近河床分布，相對高度5～10 m，為堆積階地，遼河河床內見有心灘和邊灘.

1.2 區域地質

研究區地層出露較全，主要有太古宇，中、新元古界，古生界的寒武系、奧陶系、志留系、石炭系、二疊系，中生界的侏羅系、白堊系和新生界的第四系.其中，第四系較為發育，出露面積接近全區總面積的一半，主要分布于康平、昌圖、開原以及鐵嶺至沈北一帶的河漫灘、階地以及兩岸沖積平原處.基巖組成有沉積巖、巖漿巖和變質巖.研究區經歷了長期復雜的構造和變質作用以及多期巖漿活動，發育有多種礦產資源.新生代升降運動形成松遼拗陷、河谷階地等現代構造特征和地貌景觀.

1.3 土壤地質

根據成土母質或成土母巖、地貌和第四紀地質等特征，研究區內的土壤包括：棕壤、褐土、草甸土、沼澤土、水稻土、風砂土以及新積土和鹽堿土等.棕壤主要分布在低山丘陵區，包括酸性巖質棕壤、中性巖質棕壤、基性巖質棕壤、碳酸鹽質棕壤以及碎屑巖質棕壤等；草甸土、沼澤土和風沙土主要分布在平原區、河漫灘、一級階地等［13］.

2 材料與方法

本次研究，采取巖石－土壤－植物綜合取樣法，在采樣點上進行植物、土壤和成土母巖取樣.植物樣品取地上部分的莖、葉和果實，同時采集其立地土壤的A、B層土壤及其基巖的巖石樣品（如果能夠采到）.采用五點取樣法在20～200 m2范圍內采集混合樣.其中植物樣品采集10～20株代表性植物并進行混合，混合后的新鮮樣品重量不少于500 g.室溫下干燥，干燥后樣品重量不低于50 g.采樣的樣地盡量滿足下列要求：①樣地內有足夠的植物數量；②同一樣地內土壤條件基本一致；③樣地間采集植物類型盡量相同.

在研究區采集巖石樣品60件，土壤A層樣品171件，土壤B層樣品169件，植物樣品189件（圖1）.樣品由中國地質調查局國家地質實驗測試中心測試分析.數據統計分析使用Excel工作表.

圖1 研究區采樣點分布示意圖Fig.1 Distribution sketch map of sampling sites in the study area

3 分析結果

3.1 巖石Se元素地球化學

本次研究的60件巖石樣品分別來自碳酸鹽巖、花崗巖、火山巖、碎屑沉積巖和變質巖.分析結果表明，Se在不同類型的巖石中分布不均勻，同類巖石，不同樣品的Se含量差別也較大（表1）.巖石Se含量介于0.22×10－6～0.62×10－6，平均值為0.08×10－6.其中，火山巖中的Se含量最高，平均值為0.14×10－6；其次為碳酸鹽巖，平均值為0.11×10－6；最低為變質巖，平均值為0.05×10－6.Se元素含量最大值出現在碳酸鹽巖類中，巖性為灰巖，達0.62×10－6.

表1 研究區巖石中硒元素含量特征表Table 1 Characteristics of Se content in rocks of the study area

地殼中Se元素的豐度為0.05×10－6［14］，在研究區除變質巖Se元素平均值為0.05×10－6外，其他各類巖石Se元素的平均含量均高于地殼中Se元素的豐度值，總體上巖石中Se質量分數呈現火山巖＞碳酸鹽巖＞花崗巖/沉積巖＞變質巖的規律.

3.2 土壤Se元素地球化學

本次研究的171件土壤A層樣品和169件土壤B層樣品，分別采自棕壤、草甸土、水稻土和風砂土.分析結果表明，硒元素在不同類型的土壤中分布不均勻，同類土壤不同深度的Se元素的含量差別也較大（表2）.A層土壤Se含量介于0.1×10－6～0.30×10－6，平均值為0.24×10－6；B層土壤Se含量介于0.08×10－6～0.22×10－6，平均值為0.19×10－6.在A層土壤樣品中，棕壤中的Se含量最高，平均值為0.30×10－6；其次為水稻土，平均值為0.23×10－6；最低為風砂土，平均值為0.1×10－6.Se元素含量最大值出現在碳酸鹽巖類棕壤中，達0.85×10－6.在B層土壤樣品中，仍然是棕壤中的Se含量最高，平均值為0.22×10－6；其次為水稻土，平均值為0.18×10－6；最低為風砂土，平均值為0.08×10－6.在A層土壤中Se元素平均含量0.24×10－6，明顯高于B層土壤中Se元素平均含量0.19×10－6.在研究區，土壤中Se含量總體上呈現棕壤（A、B層）＞水稻土（A、B層）＞草甸土（A、B層）＞風砂土（A、B層）的規律.

表2 研究區土壤中硒元素含量特征表Table 2 Characteristics of Se content in soils of the study area

世界范圍內大部分土壤Se含量為0.10×10－6～2.00×10－6，缺Se土壤Se含量平均為0.15×10－6，個別土壤Se含量低于0.01×10－6，而高Se土壤Se含量高達30×10－6～324×10－6，大多數土壤中Se平均含量為0.20×10－6［15］.中國東北平原土壤Se含量為0.01×10－6～5.30×10－6，平均含量為0.184×10－6［2］.在遼寧北部地區，土壤A層Se含量平均為0.24×10－6，略高于全球大多數土壤Se含量平均值，明顯高于東北平原土壤Se含平均值.

關于富硒土壤的定義國內外并未有統一的標準［16-18］，譚見安［17］以我國地方病與低硒環境為依據提出了中國硒元素生態景觀界限值，將土壤中Se含量低于0.125×10－6的土壤稱為低硒土壤；土壤中Se量高于0.4×10－6時，稱其為富（高）硒土壤.遼寧北部地區除風沙土外，土壤A層Se含量變化范圍均介于0.125×10－6～0.4×10－6之間，相當于足硒土壤的水平.

3.3 植物Se元素地球化學

本次研究的187件植物樣品包括玉米（果實）、水稻（果實）、榛子（果實）和雜草（葉部）4類植物.榛子主要產自棕壤，雜草主要產自棕壤和風砂土，水稻主要產自水稻土和草甸土，玉米主要產自棕壤、草甸土、水稻土和風砂土.

分析結果表明，硒元素在不同種類的植物中分布不均勻，同類植物不同植株的Se含量差別較大（表3）.植物中Se含量介于0.004×10－6～0.19×10－6之間，平均含量為0.07×10－6.其中，灌木植物榛子的Se元素含量最高，平均值達0.11×10－6；水稻籽實中的Se元素含量均值為0.05×10－6；玉米籽實中的Se元素含量最低，平均值達0.02×10－6.在研究區，植物中硒質量分數總體上呈現榛子＞雜草＞水稻＞玉米的規律.

表3 研究區植物中硒元素含量特征表Table 3 Characteristics of Se content in plants of the study area

根據我國糧食衛生標準［19-20］，研究區除玉米籽實外，雜草、榛子和水稻的籽實中Se含量均滿足0.04×10－6～0.30×10－6富Se的標準范圍，但遠遠低于國家富Se糧食限量上限標準0.30×10－6.

研究表明［21-23］，Se作為生態系統中一種重要的微量元素，也是人體必須的微量元素之一，對人體有重要的生理作用，適量的Se能改善人體的免疫力，提高機體抗氧化能力.長期食用低于0.1×10－6的含Se食物會導致人體Se缺乏反應癥，長期食用Se含量高于1.0×10－6的食物則會引起硒中毒.遼寧北部地區，野生植物榛子的Se含量介于0.08×10－6～0.13×10－6之間，農作物水稻的Se含量介于0.02×10－6～0.12×10－6之間，農作物玉米的Se含量介于0.004×10－6～0.09×10－6之間，均小于1.0×10－6硒中毒值范圍，處于長期食用安全值范圍內.

4 討論

4.1 巖石－土壤中的Se元素遷移

Se元素在土壤A層中的均值為0.24×10－6，在土壤B層中的均值為0.19×10－6，在巖石中的均值為0.08×10－6.Se元素在土壤中的含量明顯高于在巖石中的含量（圖2），這表明土壤中的Se元素與成土母巖之間既存在成因上的聯系也存在明顯的區別，成土母質決定了土壤中Se的最初含量.

圖2 巖石－土壤－植物中硒元素的含量變化Fig.2 Variations of Se content in rock-soil-plant

研究區成土母巖主要有泥質粉砂巖、細砂巖、砂巖、泥晶灰巖、白云巖、二長花崗巖、玄武巖，各種巖石類型中Se元素含量有所差別，導致其土壤母質層（風化層）中Se元素含量不同.由其母巖風化而來的表層土壤既繼承了成土母巖中Se含量特征，又進一步產生富集作用.同時，從垂向看由深層至淺層，Se元素的含量總體上呈逐漸升高的趨勢，硒質量分數呈現土壤A層＞土壤B層＞成土母巖的變化規律.表明在成土過程中硒元素在有機質等物質參與的物理、化學作用下，逐步向表層土壤富集，形成硒元素深部低、地表富集的遷移特征.

有關Se元素在土壤中遷移富集的影響因素，前人做過大量的研究［24-27］.研究結果表明，土壤Se含量受控于成土母質，成土母質是土壤Se元素的主要物質來源，土壤表層Se主要是母質風化和植物富集的結果.同時，土壤理化性質（包括有機質、pH值、黏粒含量）、土地利用方式、海拔高度及外源輸入組分（如施肥、噴灑）等對土壤Se的遷移富集都具有一定的影響作用.

4.2 土壤－植物中的Se元素吸收

從表2、3和圖2的對比結果看，Se元素在土壤A層中的均值為0.24×10－6，在植物中的均值為0.07×10－6，Se元素在土壤A層的中含量明顯高于在植物中的含量.研究表明，植物對土壤中Se的吸收與土壤中Se的有效性密切相關，同時也與植物對土壤中元素的吸收率有關，土壤中Se含量高并不意味著植物對Se的吸收高.

在土壤－植物系統Se元素吸收的研究中，采用了生物富集系數BAC（Biological Accumulating Coefficient），即植物灰燼中Se的含量與土壤中Se含量的比值［28］，表示Se元素在植物和土壤之間富集、濃縮、積累、放大和吸收能力與程度的數量關系，即植物對土壤Se元素的富集能力.富集系數越大則表示富集能力越強.

分析統計結果（表4）表明，不同的植物在相同的土壤類型下Se富集能力不同，相同的植物在不同的土壤類型下Se富集能力亦不同.其中，玉米對Se元素的富集能力在風砂土中（A層）＞水稻土（A層）＞棕壤（A層）＞草甸土（A層），雜草對Se元素的富集能力風砂土（A層）＞棕壤（A層），水稻對Se元素的富集能力水稻土（A層）＞草甸土（A層）.研究區的4種植物Se富集系數平均值較低，除去雜草外，均在0.40以下，富集能力大小依次為雜草＞榛子＞水稻＞玉米.

表4 研究區不同土壤條件下植物硒富集系數參數表Table 4 Se enrichment coefficients of plants by soil conditions in the study area

對研究區的土壤和立地植物Se含量進行相關性分析.土壤和水稻Se含量的11組對應數據的相關性分析結果表明兩者之間存在極顯著的正相關關系（圖3a）.土壤和雜草Se含量的27組對應數據相關性分析結果表明兩者之相關性不明顯（圖3b）.土壤和榛子Se含量的12組對應數據的相關性分析結果表明兩者之間存在顯著的正相關關系（圖3c）.土壤和玉米Se含量的132組對應數據相關性分析結果表明兩者之相關性不明顯（圖3d）.由于土壤中的Se存在不均勻性，不同植物對硒富集程度亦不同.上述研究結果表明，通過進一步研究土壤Se含量與不同種類農林產品Se含量的相關關系，對開發富Se農林產品可以起到有效的指導作用.

圖3 土壤含硒與立地植物含硒量關系Fig.3 Scatter plots showing the correlation between Se content in plants and soils

5 結論

1）研究區東部為低山丘陵區，基巖風化物質搬運距離較近，土壤基本保留了當地母巖的元素地球化學特征.巖石樣品Se含量平均值高于地殼中Se元素的豐度值，總體上巖石中Se質量分數呈現火山巖＞碳酸鹽巖＞花崗巖/沉積巖＞變質巖的規律.土壤Se含量受控于成土母質，與成土母巖之間存在成因上的聯系，垂向上由深層至淺層，Se質量分數呈現土壤A層＞土壤B層＞成土母巖的變化規律.

2）研究區土壤表層Se平均含量略高于全球大多數土壤Se含量平均值，明顯高于中國東北平原土壤Se含量平均值.土壤中Se質量分數總體上呈現棕壤（A、B層）＞水稻土（A、B層）＞草甸土（A、B層）＞風砂土（A、B層）的規律.除風沙土外，土壤A層Se含量相當于足Se土壤的水平.

3）研究區植物中Se含量平均值處于長期食用安全值范圍內.植物中Se質量分數總體上呈現榛子＞雜草＞水稻＞玉米的規律.除玉米籽實外，雜草、榛子和水稻的籽實中Se含量介于富Se的標準范圍內.

4）不同的植物在相同的土壤類型下對Se的富集能力不同，相同的植物在不同的土壤類型下對Se的富集能力亦不同.研究區植物對土壤中Se富集能力大小依次為雜草＞榛子＞水稻＞玉米.

5）對研究區的土壤和立地植物Se含量進行相關性分析結果顯示，土壤與水稻、土壤與榛子之間存在顯著的正相關，土壤與雜草、土壤與玉米之間相關性不明顯.

致謝：沈陽地質調查中心卞雄飛高級工程師，鄭月娟、高飛、張春暉、張志斌教授級高級工程師，共同參加完成野外工作，特此致謝！